干涉型光纖傳感器相位跟蹤檢測系統(tǒng)的研究_圖文

1、第卷?？暌響?yīng)用光學(xué)。義章編號：。（）一干涉型光纖傳感器相位跟蹤檢測系統(tǒng)的研究李平舟，宋祥虎，姬志國（西安電子科技大學(xué)，陜西西安；陜飚廣播電視犬學(xué)寶雞市分校，陜西寶雞）摘要：先纖傳感器是一種蕘敏度高的傳感器，而相位檢測技術(shù)是它的關(guān)鍵技術(shù)之一。簡單介紹了干涉激光纖傳感器的信號檢測方法，比較了它們的優(yōu)缺點(diǎn)，著重介紹了相位跟蹤檢測系統(tǒng)的基拳德成及相關(guān)設(shè)磚。關(guān)鍵詞：光纖傳感器；相位檢測；相位跟蹤檢測系統(tǒng)中圖分類弩：文獻(xiàn)櫞卷碼：，（。，）：，：；引言自世紀(jì)年代以來，光纖傳感器（，）俸為一耪基于光導(dǎo)終維昀薪型傳感器迅速發(fā)展起來，日益受到重視。光纖傳感器具有靈敏度高、動態(tài)范圍大、檢測頻帶寬、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)靈活、黧

2、蹇篪高溫、抗電磁于撬、抗瘸蝕搜強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用到各種信號的檢測巾。由于其與光纖通信技術(shù)固有的兼容性使得它可以獲得燹瑟速的發(fā)旋。各釋源理的競紓傳感器應(yīng)運(yùn)而生，特別是基于相干檢測技術(shù)的干涉型光纖傳感器得到了迅速發(fā)展，因?yàn)樗哂徐`敏度高、便予復(fù)用等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛鷹于涎餐聲波、磁場、濕度、縫震波等多種物理量噸。干涉型分布式光紆傳感系統(tǒng)的高靈敏度使傳感系統(tǒng)極易受到外界環(huán)境撓動靜影響。當(dāng)光纖受到外界物理場的作用時，其內(nèi)部傳輸?shù)鸟尬话l(fā)生變化，干涉儀輸出一個相位調(diào)制信號，通過檢測相位的變化，麟可獲得外賽物理場的信息。燕子受到瀑度變化、壓力波動、機(jī)械抖動等因素的影響，干涉儀兩臂的相位也會產(chǎn)生一個隨機(jī)相位

3、變量，從而引起信號幅度懿隨掇漲落，這就是愛謂的攘位衰落現(xiàn)象。因此，如何檢測光纖傳感器的信號成為了一個非常重要的課題。干涉型光纖傳感器信號檢測典型方法的比較伴隨著干涉型光纖傳感囂的發(fā)震，務(wù)式各樣酶信號檢測技術(shù)隨即而生。典型的有：相位產(chǎn)生載波（）解調(diào)法、×藕合器解調(diào)法、合成外差檢測法、襁位跟蹤檢測、差分延遲外差檢測、光程補(bǔ)償收穰日期：一；修回日期：終警麓貧：李警痔（一），男，陜囂戶矮入，囂安電子秘效大誓壤學(xué)浣教授，主要姨事黲斃學(xué)表囂耱料戇斃學(xué)特性分櫥、必傣憊處理技術(shù)簿方面的研究工作。：第卷（專秘）攀警痔，等：予涉型寵終傳感器穩(wěn)篷裁黥撿濺系統(tǒng)懿聚究外藏檢測等。凌鍘解譎是在于涉紋牽弓入鹼測信

4、號帶寬外某一頻率的大幅度相位調(diào)制信號，通過分離隨機(jī)漂移和信號項(xiàng)，消除隨機(jī)漂移對傳感信號的影晚。楣位調(diào)鍘信號可以遵過在參考臂中搬入穗位調(diào)制器或調(diào)制光頻的方式獲褥，稱調(diào)頻（），它便于實(shí)現(xiàn)傳感部分的全光化和信號怨瀵豹數(shù)字化。僵它對光源要求較高，焉雖必須使用非平衡干涉儀，使得系統(tǒng)對光源的相位噪聲比較靈敏。調(diào)制解調(diào)需要應(yīng)用數(shù)字信號處理器實(shí)璦復(fù)雜的售號處理算法，超長踅離髂于涉鍪分竅式光纖傳感系統(tǒng)要求檢測系統(tǒng)有高速信號處理速度、多路信號的處理速度要求精確同步，數(shù)字式檢測系統(tǒng)綴難達(dá)囊這些要求。×藕合器解調(diào)法喵中干涉儀的輸出信號同時包括妒和驢，因此從根本上消除了出現(xiàn)信號憲全消隱的越能。它不需要任禽肴源

5、器件，瞧無需調(diào)制光源，實(shí)現(xiàn)了真誰的無源檢測。由于不需要光稷差，消除了光源相位噪聲的影響，而且可以使用綴槽于光源，大大降低了成本。勇終，它酶動態(tài)范圍非常大，最大可檢測信號可以達(dá)到幾百甚至上千弧度，兩只有幾個弧度。但是，×藕合器解溺法需要稔測系統(tǒng)精確地實(shí)現(xiàn)三焦函數(shù)關(guān)系，導(dǎo)致系統(tǒng)價格極其昂貴，高性能的×藕含器制作越來也非常困難，使得這種方法的發(fā)展受到了一定限制，僵可以肯定的魑，這是一種非常有發(fā)展?jié)摿Φ臋z測方法。合成舶差檢測魁近來采用較多的棚位檢測方法。它不用復(fù)雜他的光路，麗采用較復(fù)雜的電路處理系統(tǒng)，經(jīng)壓電元件反饋到光路中起到布喇格盒的同等終薅。合成秘差檢測的優(yōu)點(diǎn)爨避免了使光路復(fù)雜

6、仡的布喇格盒，但伴隧的缺點(diǎn)怒裙移和振幅失配，產(chǎn)生的輸出信號不是個純粹的外差信號，從而導(dǎo)致調(diào)翱鑒別器輸出劣化，并限制了最小可測信號，另外合成外差檢測法口幻結(jié)構(gòu)復(fù)雜，功耗很大，系統(tǒng)調(diào)試比較困難。差分延遲外差檢測¨朝是通過光源獲褥一列在相藏很小的個頻率間來回切換的光脈沖，躺臂差遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于光源相干長度，且兩臂的延遲等于光脈沖時瓣翔隔時，探濺器輸畿一期彌；棗外差信號。差分延遲外差檢測克服了真外差需要聲光移頻器和偽外嫠需要調(diào)制光頻的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了真正的無源檢測，毽缺點(diǎn)是必須愛擐長穗子光源，顯對光源的穗位噪聲非常敏感。光程補(bǔ)償外差檢測是通過另加一個干涉儀進(jìn)行光程李償從兩實(shí)現(xiàn)裙于檢測的一種方法。光源發(fā)出

7、的光經(jīng)過個耦合器后產(chǎn)艇列光波，當(dāng)個干涉儀臂麓相等，且遠(yuǎn)大于光源相干長度時，只有是過的光稷攘同且羧率不同的列光波才會發(fā)生干涉，最后得到外差信號。它的優(yōu)點(diǎn)是傳感部分沒有有源器件。由于進(jìn)行了光程補(bǔ)償，可以使用相干長度授小的光源，大大降低了成本；毒償予涉獲可以遠(yuǎn)離傳感部分，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程探測。它的缺點(diǎn)是必須使用個干涉儀，而且聲光移頻器的使用會引人額羚酶噪聲。相位跟蹤檢測形式簡單、易于調(diào)控，可以用模擬電路燕現(xiàn)信號快速處理，不存在多路倍號處理速發(fā)的囝多閆題，適合矮子超長距離的干涉型分布式光纖傳感系統(tǒng)。相位跟蹤系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)及分析相位跟蹤檢測是一種主動相位補(bǔ)償?shù)姆椒?，分為壹流相位跟蹤（）和交流棚位跟蹤（）種

8、68;。它們都是乖震于涉儀的輸出信號產(chǎn)生個反饋控制信號，將其作用在干涉儀中的相位調(diào)制器上進(jìn)行擺位補(bǔ)償。由此可以看出，相位跟蹤系統(tǒng)由電路系統(tǒng)穰光纖相位調(diào)制器組成。電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)電路系統(tǒng)豹示意匿如圖所示。圖中，光電二極管的輸磁在差動放大器中完戚合并，該放大器除起放大作用外，還起抉模抑制作用。它的后面接了兩級積分放大器。這溪綴積分放大器可通避從壹漉翔所希望的最高頻率的所有信號。光電二極管電路復(fù)原帶通櫥出鍪援佼綴蹤系統(tǒng)豹毫黲系統(tǒng)將兩級積分放大器的輸出被加到裝有干涉儀參考臂的移擺器上，使參考謦審產(chǎn)生一個耀移，該相移抵消了傳感臂中的相位漂移，使干涉儀保持平衡，同時使干涉儀始終處于正交狀態(tài)。靜償電路赫猿號通過

9、一只裔逶濾渡囂（濾去低頻噪聲）輸出。該濾波器的低頻極限被調(diào)在希望的攀串痔，等：予滲鰲競野傳惑器穗往跟蹤檢弼系統(tǒng)鷯褥究第卷（專穩(wěn)）最低頻率上。因此，干涉型傳感器的輸如是一個頻繁，該額帶裙應(yīng)予希望的信號頻率范醺。通常反饋電路和復(fù)位電路加到相移器上的電壓電平為士熬皸?？д髑嗲闆r由溫度藏壓力變純弓起的楱移振幅紇麓到捆移器上靜±電壓所產(chǎn)生的相移大得多（幾百伏甚至上千伏）。因褥，必須始終監(jiān)視移榴器上所加的電壓到底有多大，翔栗達(dá)到電路的掇戳值，就必須迅速鮑使這些電路恢復(fù)到它能夠重新啟動的初始狀態(tài)。這就是圖中所示的復(fù)位電路的作用。這樣，伴隨大幅值慢漂移產(chǎn)生的裙位變訖被一些鋸齒彩的奪禧僮裙位變化所補(bǔ)

10、償，必須注意把復(fù)位過程中產(chǎn)生的噪聲減到最小。黨纖相位調(diào)制器相位調(diào)制器即移相器，其作用是通過一小段光纖改變光程長度。光纖相位調(diào)制器可以逶過對光纖某一部分長度或波導(dǎo)模的折射率進(jìn)行外部調(diào)裁來實(shí)現(xiàn)。最常用的方法是在壓電陶瓷管（）上繞若于圈光終，并稍稍拉緊，如圖（）所示。通過在元件上加上電壓，使其擴(kuò)張或收縮，光纖就被控長或縮短，從而改變光程長度。對一根單模光纖，當(dāng)爻一，圜管工終頻率低予最低機(jī)械共振頻率時，通過施加（）的反轉(zhuǎn)電壓，可產(chǎn)生”弧度的相移。若工作在機(jī)械共振頻率，相移的調(diào)制矚度可增加幾個數(shù)量級。環(huán)氧樹脂奇警聲冀寫彳眨彳望翌囂翟聲龜壟壁廠驢壟塹外簇意藹卜臻號發(fā)生囂鱟戮黼秘）圈光纖相位調(diào)制器圈（）是帶

11、有共軸壓電換能器的光纖相位調(diào)制器。光纖置于圓管的軸線上，圓管與光纖間充以聲學(xué)材料（環(huán)戴樹脂）。圓管工作于厚度模式，豳圓管薄壁產(chǎn)生的厚度諧振頹率的聲波會聚于圓管中心，對纖芯施加壓力，通過光彈效應(yīng)使光紓的折射率受到調(diào)裁。鍘如，壁厚力。，共振頻率為時，能產(chǎn)生。的相使調(diào)制。圖（）是教覆壓電簿套懿斃紓褶位諼裁器。在光纖上被覆一層壓電塑料外套，如聚偏二氟乙烯（），用外套的內(nèi)外表面被覆眾屬膜作電極，在靜瀕電場的激勵下，這器被覆的躡瞧套就會對斃纖的相位進(jìn)行調(diào)制。實(shí)驗(yàn)表明，采用厚度為肛的徑向極化外套，在很寬的頻率范圍（激玨）考一致的頻率響應(yīng)，糯位調(diào)制系數(shù)為。小結(jié)干涉型光纖傳感器具有極高的靈敏度，可以用手聲波、磁場、溫度等多種物理量的測量罐，糨譴檢測技術(shù)研究對光纖傳感器的發(fā)展歪關(guān)重要，相位跟蹤檢測方法是干涉型光纖傳感器信號檢測的一種重要方法，其有諸多優(yōu)點(diǎn)。參考文獻(xiàn)：】差，董，。，（：